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系外行星WASP-43b的天氣圖
最近﹐天文學家成功地利用NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的資料繪製了系外行星WASP-43b的天氣圖。研究團隊利用中紅外光譜的精確測量結合3D氣候模型和其他望遠鏡的先前觀測﹐發現WASP-43b夜晚有厚厚的高雲覆蓋﹐白天天空晴朗﹐赤道風速高達每小時約8,000公里並將行星的大氣進行充分的混合。
WASP-43b是一顆「熱木星」型系外行星﹐距離地球約280光年﹐大小與木星相似﹐主要由氫和氦組成。比我們太陽系中的任何巨行星都要熱得多。雖然它的母恆星比太陽小且較冷﹐但WASP-43b的軌道距離僅為不到水星與太陽之間距離的1/25。由於軌道如此緊密﹐這顆行星被潮汐鎖定﹐一側不斷受到母恆星照射﹐而另一側永遠在黑暗中。雖然夜晚從不接收到來自母恆星的直接輻射﹐但強烈的赤道風將熱浪從白天一側帶到黑夜的另一側。自2011年發現以來﹐WASP-43b已被眾多望遠鏡觀測過﹐哈伯太空望遠鏡就曾清楚地看到白天有水蒸氣。哈伯和已退役的史匹哲太空望遠鏡的資料都暗示這顆行星夜晚可能有雲層﹐而韋伯更精確的測量使得天文學家可以真正開始繪製行星大氣的溫度﹑雲層覆蓋﹑風速和更詳細的大氣組成。
雖然WASP-43b對於望遠鏡來說太小﹑暗淡且離其恆星太近而無法直接觀測﹐但它僅有19.5小時的短軌道週期使其成為研究光變曲線及光譜的理想對象。系外行星繞母恆星運行時﹐如果行星剛好穿越地球到其母恆星的視線方向﹐整個行星系統亮度會有微小變化﹐此時也是研究行星的大氣光譜的窗口。由於物體發出的中紅外光的量主要取決於其溫度﹐因此韋伯望遠鏡捕捉到的亮度數據可以用來計算行星的溫度。透過觀測整個公轉週期﹐我們能夠計算行星不同面向的溫度﹐可以粗略繪製行星的溫度分佈圖。測量結果顯示﹐白天的平均溫度接近攝氏1250度﹐足以熔化鐵。與此同時夜晚則明顯較低溫約為攝氏600度。數據還可以定位行星上最熱的點﹐這個點位於接收到最多恆星輻射的位置略微向東偏移﹐這種偏移是由於超音速風將加熱的空氣向東移動所致。
為了解釋這張天氣圖﹐研究團隊使用了複雜的三維大氣模型﹐就像用於理解地球上的天氣和氣候一樣。分析顯示﹐WASP-43b夜晚可能被一層厚厚的高雲層覆蓋﹐這些雲層阻止了部分紅外光逸出到太空﹐因此﹐夜晚並沒有預期中的涼爽。韋伯望遠鏡捕捉到的中紅外光光譜成功的測量到水蒸氣﹐光譜顯示﹐行星的夜晚和白天都有水蒸氣的明顯跡象﹐這提供了有關雲層厚度以及它們在大氣中的高度的數據。另外令人驚訝的是﹐數據還顯示大氣中明顯缺乏甲烷。白天太熱了﹐甲烷無法存在﹐但在較低溫的夜晚﹐甲烷預期應該是穩定的且可檢測的。而沒看到甲烷這一現象﹐表示WASP-43b的風速可能達到每小時約8000公里。如果風速足夠快﹐氣體自白天側吹到夜晚側﹐然後再來回不斷的使大氣進行充分的混合﹐這樣一來預期的化學反應就沒有足夠的時間在夜晚產生可檢測到的甲烷。
WASP-43b是密度較高的熱木星其質量是木星的1.78倍﹐但半徑是木星的0.93倍。該行星軌道半長軸是0.0142天文單位﹐軌道週期是0.813475日(19.5234小時)﹐在WASP-43b被發現時它是軌道週期第二短的行星﹐僅次於WASP-19b。此外﹐WASP-43b在發現時是所有熱木星中最靠近母恆星的只有超級地球GJ 1214 b和行星系候選恆星KOI-961可以相比。雖然已知熱木星都是短週期﹐但週期少於三或四日的行星相當少見。在WASP-43b這個例子中造成週期如此短的原因或許可以用它的母恆星質量不高解釋。WASP-43和它的行星這樣的罕見系統代表熱木星不常存在於低質量恆星旁﹐否則這樣的行星無法維持環繞母恆星的穩定軌道。
WASP-43b﹑WASP-19b和WASP-18b與目前被接受的來自聯星系統軌道觀測而來的潮汐力作用模型相矛盾。考慮到行星存在的修正的模型則可以幫助確認這些行星的軌道參數。與我們的太陽系相較之下﹐水星的軌道週期是87.97日﹐與太陽的平均距離是0.387天文單位。
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